長有壓泄水孔鋼襯結構有限元分析

石 磊，徐 軼，查志成

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術研究中心,湖北 武漢 430010）

針對混凝土重力壩或混凝土拱壩,除了在壩頂設置溢流表孔作為泄洪設施外,對于混凝土中高壩,還可以根據不同泄水功能要求,在壩身設置壩身泄水孔,壩身泄水孔可以根據不同泄洪要求,調節水庫庫水位；通常在混凝土壩壩身根據不同要求布置泄洪中孔、泄洪深孔、泄洪底孔等。

其中壩身泄水孔除了可以作為泄洪用途外,一部分壩身泄水孔可作為水庫、水電站放空孔使用,此外,還有一部分可作為沖沙孔使用。

壩身泄水孔根據水壓力分布的不同可以分為短有壓泄水孔與長有壓泄水孔兩大類；對于長有壓泄水孔,一般布置在壩身高程較低處,泄水過程中,作用水頭以及孔內流速相對較高,當庫水含沙量較大、或泄水孔頻繁用做沖沙孔時,通常會在泄水孔內設置鋼襯結構來避免泄水孔內壁磨損破壞。

壩身長有壓泄水孔內設置鋼襯結構,在施工及運行階段,鋼襯結構受力狀況不同,使用材料力學方法很難獲得鋼襯結構應力計算結果,本文結合鋼襯結構施工、運行完整流程,針對某水電站中孔鋼襯結構,采用有限單元法對鋼襯結構進行應力分析。

1 工程概況

某水電站項目大壩為碾壓混凝土重力壩,最大壩高為131.0 m,壩頂高程為190.0 m,河床壩基建基面高程為59.0 m；水電站正常蓄水位為184.0 m,設計洪水位為185.68 m,校核洪水位為189.1 m；大壩壩身布置有2 孔泄洪中孔,為長有壓泄水孔,孔口截面為矩形截面,孔身段截面尺寸為5 m×7 m（寬×高）,出口截面尺寸為5 m×6 m（寬×高）,底板高程為110.0 m；正常蓄水位下的下泄流量為2028.15 m3/s。中孔上游側設置一道檢修閘門,中孔出口處設置一道工作弧門；中孔結構斷面圖見圖1。

圖1 中孔結構布置斷面圖

水電站所處河流年平均懸移質為20.75×106t,年平均推移質輸沙量為4.15×106t,年平均含沙量為0.734 kg/m3；水流泥沙含量較大,考慮到中孔泄洪時泥沙對孔壁沖刷等的不利影響,因此在中孔內設置一層Q345R 鋼內襯,以起到對中孔內壁保護的作用。鋼襯三維結構見圖2。鋼襯厚20.0 mm,為了使鋼襯與混凝土很好的連接,在鋼襯結構上,每隔1.5 m 布置一道加勁環,加勁環使用拉筋與中孔周邊混凝土連接,拉筋規格為C25,鋼襯頂部與底部加勁環拉筋均布置8 根,左右側加勁環拉筋均布置14 根；為了排出鋼襯外壁滲水,在鋼襯外每間隔4 m 布置一道環繞鋼襯外壁的環形排水盲溝。

圖2 中孔鋼襯結構三維軸側圖

2 計算工況分析

2.1 施工階段

鋼襯孔身段截面尺寸為5 m×7 m（寬×高）,在施工過程中,由于鋼襯斷面較大,周邊混凝土的澆筑需要分倉澆筑,在澆筑兩側混凝土時,未達到初凝的流態混凝土對鋼襯結構會產生不利影響,根據工程施工進度的需要,鋼襯兩側混凝土分兩倉澆筑,每倉澆筑層高為3.5 m。

此外,在鋼襯周邊混凝土澆筑施工完成后,進行鋼襯底部回填灌漿施工,回填灌漿將會填充鋼襯底部因振搗不密實而產生的空腔；在鋼襯底板布置灌漿孔,對空腔進行回填,鋼襯回填灌漿最大壓力為0.1 MPa,灌漿壓力將會對鋼襯結構造成不利的影響。

2.2 運行階段

水電站正常運用過程中,中孔所受的孔內水壓力等外荷載由孔壁鋼筋混凝土結構與鋼襯聯合承擔,鋼襯不但作為耐磨損結構,而且作為內水壓力的直接作用對象,通過鋼襯將中孔內水壓力傳遞至中孔鋼筋混凝土,中孔內水壓力將對鋼襯產生不利影響。

同時,考慮到鋼襯與混凝土內壁可能存在接觸不良以及裂縫的情況,在正常運用期間上游庫水會通過壩體滲透進這些部位,導致鋼襯出現外局部水壓力的情況；雖然壩體混凝土滲透能力有限,但這種現象還是有可能發生。

在運行過程中,當中孔進行檢修時,檢修閘門將會啟用,如果檢修閘門后的鋼襯外壁部位與上游水庫存在連通性裂縫,將會使得鋼襯外壁承受局部較大的外水壓力。

在設計過程中采取了四種措施避免這種情況的發生；第一,在大壩上游部位的壩體中設置了壩體排水,降低庫水的滲透作用；第二,鋼襯上游端布置兩道止水環,結合鋼襯加勁環,很好地阻斷上下游潛滲透通道；第三,在鋼襯外側每隔4 m 布置了一圈排水盲溝,以排出鋼襯外壁少量的滲水；第四,鋼襯最容易發生滲透通道的部位,往往是澆筑過程中很難振搗的部位,即鋼襯底部與中孔底板混凝土接觸部位,為了防止中孔底板滲透通道的發生,對鋼襯底部進行回填灌漿。

因此,綜合采用以上各種措施后,認為鋼襯在運行過程中能較好地避免潛在滲透通道的產生,避免鋼襯承受局部外水壓力的情況。

2.3 計算工況

對施工階段、運行階段中孔鋼襯所處環境進行綜合分析,鋼襯結構可能存在不利工況主要有3 種,施工階段鋼襯混凝土澆筑工況、施工階段鋼襯回填灌漿工況,以及正常運行階段鋼襯承受內水壓力工況。鋼襯有限元計算工況見表1。

表1 中孔鋼襯有限元計算工況

3 有限元分析

3.1 計算模型

針對工況1 與工況2,選用檢修閘門井與工作弧門之間較大的洞身鋼襯段進行分析,該段沿水流方向長度為13.5 m,底孔截面高×寬=5 m×7 m,鋼襯厚度為20 mm,每隔1.5 m 設置一道加勁環,加勁環厚度為2 cm,寬25 cm,建立殼單元模型,見圖3。

圖3 有限元計算模型（工況1、2）

針對工況3,選用檢修閘門井與工作弧門之間較大的洞身鋼襯段進行分析,選取沿上下游方向1.5 m 段建立鋼襯與混凝土組合模型；鋼襯截面高×寬=5 m×7 m,厚度為20 mm,外圍混凝土厚度為5 m。采用solid185 單元進行模型離散,計算模型見圖4。

圖4 有限元計算模型（工況3）

3.2 計算荷載

根據施工要求,混凝土分兩倉澆筑,工況1,兩側流態混凝土壓力將分兩個荷載步施加,當澆筑第二倉混凝土時,第一倉混凝土已經達到設計要求強度,對鋼襯結構將是約束作用。

工況2 為回填灌漿施工工況,回填灌漿作業面在中孔底板部位,灌漿在鋼襯底部進行開孔施工,灌漿壓力均勻施加在鋼襯底部外側面。

工況3,主要承受運行期水荷載作用,按正常蓄水位184.0 m 進行設計,中孔底板高程為110.0 m,最大作用水頭為74.0 m,按靜水壓力施加。

4 計算結果及分析

4.1 計算結果

經有限元計算,各工況鋼襯應力極值的計算結果見表2。

表2 中孔鋼襯應力極值表

4.2 應力分析

鋼襯結構采用Q345R 鋼板焊接而成,鋼板的屈服強度（設計強度）為325 MPa。

（1）工況1 應力分析

工況1 最大主拉應力為156.0 MPa,發生在加勁環與鋼襯焊接部位,最大主壓應力為104.0 MPa,發生在兩加筋環之間的鋼襯中部,與中孔混凝土壁接觸部位,計算得出的應力小于鋼板的設計強度,故不存在強度破壞問題。

同時,鋼襯加筋環的約束由加筋環上的拉筋提供,鋼襯兩側加勁環上均布置有14 根拉筋,因此選取鋼襯側邊加勁環上的應力路徑以獲得該部位鋼筋的應力,該處沿應力路徑上的應力分布見圖5～圖6,其中橫坐標為長度（m）,縱坐標為應力（Pa）。

圖5 第一加載步沿路徑上的應力分布圖

圖6 第二加載步沿路徑上的應力分布圖

按最大拉應力為5417.973×103Pa 計算,拉筋承擔的應力為86.1 MPa,遠小于鋼筋的抗拉強度420 MPa,工況1 應力滿足強度要求。

（2）工況2應力分析

最大主拉應力為219.0 MPa,發生在兩加筋環之間的鋼襯底板中部的內壁及鋼筋與加筋環焊接部位,最大主壓應力為219.0 MPa,發生在兩加筋環之間的鋼襯中部的外壁。最大主拉、壓應力小于鋼板的設計強度,故不存在強度破壞問題。

同時,鋼襯加筋環的約束由加筋環上的拉筋提供,鋼襯底部加勁環上布置有8 根拉筋,因此選取底部加勁環上的路徑以獲得該部位鋼筋的應力,該處沿應力路徑上的應力分布見圖7。其中橫坐標為長度（m）,縱坐標為應力（Pa）。

圖7 沿路徑上的應力分布圖

按最大拉應力為3456.909×103Pa 計算,拉筋承擔的應力為59.0 MPa,遠小于鋼筋的抗拉強度420 MPa,工況2 應力滿足強度要求。

（3）工況3 應力分析

最大主拉應力為16.4 MPa,發生在鋼襯四角與加筋環焊接部位外壁,最大主壓應力為16.4 MPa,發生在鋼襯四角與加筋環焊接部位內壁。最大主拉、壓應力小于鋼板的設計強度,故不存在強度破壞問題。

綜合各工況應力分析,鋼襯的應力滿足強度要求。

5 結語

混凝土壩壩身長有壓泄水孔內設置鋼襯,以保護孔壁結構,防止孔壁沖刷破壞；結合實際工程案例,通過詳細分析長有壓泄水孔內鋼襯結構自施工至運行全階段的控制工況,針對性地開展長有壓泄水孔內鋼襯結構有限元仿真分析,解決了鋼襯結構應力計算的難題,根據計算,鋼襯結構在各工況下的應力均滿足強度要求；文中長有壓泄水孔內鋼襯結構的應力分析方法,可為國內外類似工程提供參考依據。